气干与湿润状态下多孔隙岩石的黏弹性特性与力学模型

为研究多孔隙岩石的变形特性,提出一个适用于多孔隙岩石的非线形流变模型（本构方程）.本模型是由弹簧与阻尼器串连组成,弹簧部分采用作者曾经提出的本构方程;代表黏性部分的阻尼器设定加载前黏度很小,随着荷载的增加而逐渐加大.在低应力水平下的蠕变试验中,由于弹性系数没有明显的下降,因而设定阻尼器的应变与蠕变应变相同.为验证模型的准确性,对泥质砂岩、大谷凝灰岩、田下凝灰岩与河津凝灰岩4类岩石分别进行理论计算与试验测试.对于各类岩石,计算得到的应力-应变曲线与实测曲线基本一致,而且用此流变模型,发现气干与湿润状态下杨氏模量具有明显的差异.研究结果表明,在这2种状态下,杨氏模量的差异是由于非弹性应变（即阻尼器的应变）不同而引起的.在湿润状态下,阻尼器的应变增加越大,杨氏模量则变得越小.即使在较低的应力条件下,阻尼器的应变比以往研究中所认为的应变要大很多.     

粉砂质泥岩三轴压缩应力松弛特性试验研究

 采用RLJW–2000型岩石三轴流变伺服仪,在分级加载条件下完成饱和粉砂质泥岩的三轴压缩应力松弛试验。基于试验结果,划分岩石的应力松弛阶段,分析岩石的应力松弛特征,研究不同应变水平下岩石的应力松弛速率、径向应变、体积应变以及松弛模量随时间的变化规律,探讨岩石应力–应变等时曲线特征,系统地揭示粉砂质泥岩三轴压缩应力松弛特性。选取Burgers模型来描述粉砂质泥岩的应力松弛特性,采用LM-NLSF法对模型参数进行辨识。对比模型拟合曲线与试验曲线,二者吻合较好,表明Burgers模型可以较好地描述粉砂质泥岩的应力松弛特性,辨识得出的模型参数具有一定的实用价值。     

基于应力归还控制的岩石荷载速率依存性研究

 采用应力归还伺服控制方法,对I和II类岩石荷载速率依存性进行研究。首先,运用变阻器技术,实现伺服试验机应力归还控制,能对岩石峰后进行稳定控制,完整地获得岩石的全应力–应变曲线。其次,对I(田下凝灰岩、荻野凝灰岩)和II类岩石(江持安山岩、井口砂岩)进行恒定荷载速率、交替荷载速率和加载–卸载–加载组合试验,组合试验对弹性和非弹性应变成功地进行了分离,得到非弹性应变和应力的对应关系。试验结果表明,破坏强度、破坏应变、杨氏模量和破坏寿命具有明显的荷载速率特性。最后,对峰前区域的荷载速率依存性常数n提出了3种求解方法,为研究岩石的速率效应奠定了基础。     

粉砂质泥岩峰前、峰后应力松弛特性试验研究

采用分级加载方法,对三峡地区巴东组粉砂质泥岩开展峰前、峰后三轴压缩应力松弛试验。依据试验结果,分析峰前弹性段、屈服段,峰后应变软化段、残余强度段岩石应力松弛量、应力松弛度、松弛稳定时间以及应力松弛速率的变化规律,研究峰前、峰后不同阶段岩石应力松弛特征的差异。引入损伤变量对三参量广义Kelvin模型进行改进,建立岩石的非线性应力松弛损伤模型。应用Levenberg-Marquardt算法,辨识得出岩石的应力松弛损伤模型参数。基于辨识结果,分析峰后破裂对岩石应力松弛模型参数的影响作用,研究峰前、峰后不同阶段岩石应力松弛模型参数的变化规律。在试验研究成果的基础上,总结得出峰前、峰后岩石不同的应力松弛机制。研究结果表明:(1)峰前、峰后各阶段中,峰后应变软化段试样的应力松弛量大,应力损失程度高,松弛稳定时间长,应力松弛速率快,工程实践中应尽可能避免使岩石处于峰后应变软化段。(2)峰后各级应变水平试样的G1,G2,H1参数值为峰前0.20%应变水平相应参数值的1%~53%,峰后岩石的应力松弛模型参数值急剧降低。(3)峰后形成的宏观破裂对试样的黏弹性力学特性影响最大,黏性力学特性其次,而对试样的瞬时弹性力学特性影响最小。(4)峰后应变软化段试样的G1,H1模型参数值大幅降低,峰前屈服段试样的G2模型参数值大幅降低。(5)峰前岩石的应力松弛主要是由于岩石内部微裂隙的产生、扩展等原因而引起的,峰后岩石的应力松弛主要是由于岩石中宏观裂纹的产生、扩展以及贯通等原因而引起的。峰前、峰后岩石的应力松弛机制不同。     

南宁膨胀土三轴压缩应力松弛特性试验研究

采用土体三轴流变仪,对南宁膨胀土在不同恒应变分级加载条件下的三轴应力松弛特性开展试验研究,探讨在不同恒应变水平下南宁膨胀土的应力松弛特征和松弛模量等变化规律。根据应力-应变等时曲线特征,研究南宁膨胀土在三轴压缩条件下的应力松弛特性。通过对试验结果的分析,建立可描述南宁膨胀土非线性应力松弛特性的经验模型。模型计算结果与试验结果吻合较好,验证了经验模型的可靠性。     

非饱和石灰改良膨胀土应力松弛试验研究

非饱和石灰改良膨胀土应力松弛过程具有时间依赖性。通过应用非饱和三轴应力路径试验,系统研究不同加载方式、应变水平和应变速率的前期荷载对非饱和石灰改良膨胀土的应力松弛特性的影响规律。试验获得的应力松弛曲线形态基本相似,均为不完全松弛;对于前期荷载采用相同应变速率预加的应力松弛试验,应力松弛稳定历时随着预加应变水平的降低而增长,而松弛稳定曲线段对应的偏应力则随着预加应变水平的增大而降低;对于预加应变水平相同的松弛试验,应力松弛中初始偏应力值和松弛初始变化速率随着前期荷载加载速率的增大而增大;分级应力松弛过程中,试样破坏呈现累积损伤效应,且各级加载后的体积变化规律不同,并与应力松弛过程不同步,非饱和石灰改良膨胀土应力松弛过程中体积应变增长呈现出突变的特点。     

加载速率变化条件下砂土的黏塑特性及本构模型

 分析并研究饱和的、风干的砂土在平面应变压缩试验条件下的弹黏塑性特征,尤其是黏性特性。加载速率效应、蠕变以及应力松弛都是砂土材料本身黏性的反映,而与超孔隙水压力的消散无关。试验不仅实现了应变率逐步变化加载过程,同时也实现了蠕变加载和应力松弛过程。试验结果表明,在加载应变率发生突变时,对砂土应力–应变关系有明显的影响,呈现出刚性很高、近似于弹性的特性,而后随着应变的进一步增加,在明显屈服之后黏性应力逐渐衰减至基本惟一的应力–应变曲线。类似现象同样也发生在蠕变加载或应力松弛后以一恒定应变率突然重新加载的情况。基于非线性三要素模型框架,针对所观察到的砂土黏性特性,提出一种弹黏塑性本构模型。该模型可以描述砂土在任意加载历史下的黏性效应,包括加载应变率发生任意变化时的应力–应变响应、蠕变以及应力松弛。最后,利用该模型对上述砂土平面应变压缩试验结果进行模拟,所提案的三要素弹黏塑性本构模型能够很好地模拟砂土的黏性特性。     

岩石的循环试验及本构关系的研究

本文讨论红砂岩和大理岩的循环加载试验结果及本构关系的研究.在研究中进行了应变控制的应变逐渐增加循环试验和应力控制的疲劳试验;在疲劳试验中又分别以正弦波和锯齿波进行加载.并且根据不可逆热力学及内变量的基木概念,给出了岩石的内时本构方程及材料函数的形式,这个方程可以很好地描述岩石在循环加载条件下的应力-应变关系.     

基于巴西劈裂试验的岩石应力–应变曲线荷载速率依存性研究

岩石荷载速率依存性是岩石类材料流变力学研究的基本内容之一。通过对井口砂岩、江持安山岩及田下凝灰岩开展交替荷载速率条件下的巴西劈裂试验,分析交替荷载速率条件下岩石巴西劈裂破坏过程及应力–应变曲线的峰前和峰后荷载速率依存性特征,结果表明:(1)交替荷载速率条件下岩石巴西劈裂裂纹先从试件中心起裂并逐渐沿劈裂面向两端扩展,其破坏过程可分为4个阶段;(2)采用交替荷载速率试验得到的巴西劈裂试验曲线,可以清晰地观察到岩石在峰值前和峰值后阶段应力–应变的荷载速率依存性特征;(3)岩石巴西劈裂强度随加载速率的增大而增大,表现出了明显的荷载速率依存性,并通过计算荷载速率依存性系数n值,定量分析了3种岩石的荷载速率依存性特征。     

常温下再生混凝土三轴受力性能试验研究

为研究常温下再生混凝土在三轴受力下的力学性能,对20个100 mm×200 mm的再生混凝土圆柱体试件进行常规三轴加载试验,以此观察试件的破坏形态,并对试件的峰值应力、峰值应变及本构方程进行分析,根据试验结果,拟合出了再生混凝土试件在常规三轴下的峰值应力、峰值应变计算公式及本构方程。这些结论将为再生混凝土的进一步理论研究及推广应用提供理论依据。     

强度破坏点后岩石应力-应变曲线荷载速率依存性研究

利用3种试验方法对在强度破坏点之后处于低应力下的岩石应力-应变曲线的荷载速率依存性进行研究。首先,对三城目安山岩、稻田花岗岩和田下凝灰岩进行交替变换荷载速率试验,按一定应变间隔Δε,对同一个试样交替施加高低2种不同的荷载速率,得到对应于2种荷载速率的应力-应变曲线。试验结果表明,在破坏点之后仍可以清楚地观察到应力-应变曲线的荷载速率依存性。其次,对三城目安山岩和稻田花岗岩在恒定速率下进行循环加载卸载试验,得到了应力-应变曲线上很多点处的卸载曲线。将在交替变换荷载速率试验中得到的对应于低荷载速率的应力-应变曲线沿着卸载曲线平移,可以与高荷载速率对应的应力-应变曲线重合。最后,对三城目安山岩、稻田花岗岩和田下凝灰岩进行组合试验,即对一个岩石试样施加2种交替变换荷载速率和循环加载卸载。结果表明组合试验具有操作简单性和很强的适应性,可以用来研究岩石强度破坏点处以及强度破坏点之后领域的荷载速率依存性,强度破坏点之后的应力变化率与强度点处的基本一致。     

A new testing method for investigating the loading rate dependency of peak and residual rock strength

One of the important methods for investigating viscoelasticity is to measure the loading-rate dependency of peak strength; however, no experimental method has been established for accurately measuring the loading-rate dependency of peak strength from a small number of samples. In this study we propose such a method. A single sample is loaded at alternating strain rates to obtain stress–strain curves for both strain rates. The loading-rate dependency of peak strength obtained via this method was compared with the findings of conventional methods. The loading-rate dependency indicated for Tage tuff, Sanjome andesite and Akiyoshi marble was nearly identical to previous results obtained using conventional methods, including results obtained under confining pressure. The loading-rate dependency of peak strength in these experiments shows a close relation with the creep stress-dependency of creep life. We also investigated the loading-rate dependency of the stress–strain curve for the post-failure region for which few results have been published. Under confining pressure, the corrected stress–strain curve, obtained by multiplying the stress of the complete stress–strain curve obtained at the fast strain rate by a constant determined by the ratio between the fast strain rate and slow strain rate, is nearly coincident with the stress–strain curve for the slow strain rate. This is an interesting result and represents new knowledge that may help elucidate failure mechanisms in the post-failure region. The loading-rate dependency of stress in the alternating strain rate experiment proposed here was most clearly observed when the stress–strain curve becomes flat, parallel to the strain axis. Some improvements to the proposed method are required to enable accurate investigations of loading-rate dependency during low stresses immediately after initiation of loading or during the abrupt decreases in stress that occur following peak strength.     

单轴压缩下岩石破坏后区的扰动状态概念分析

岩石的应力一应变全过程曲线以峰值应力为界，通常分为破坏前区和破坏后区两个部分。岩石的破坏后区一般处于非稳定状态，其力学响应难以用经典强度理论来描述。由于岩石破坏后区的力学特性对诸多岩石工程，如地下巷道、矿柱和岩爆等具有重要的工程意义，因此，此方面的研究已受到理论界和工程界的重视。基于扰动状态概念理论，通过定义相对完整状态、完全调整状态和扰动函数，建立了能反映岩石材料破坏后区特性的本构模型。采用RMT-150B型岩石力学试验系统，对5种岩石试样(湖北大悟的红花岗岩、四川雅安的大理岩、江西贵溪的红砂岩、河南焦作的砂岩和花岗岩)进行了单轴压缩破坏试验，得到了各种岩石的应力-应变全过程曲线；利用扰动状态概念分析了各岩样变形和破坏的力学机理。在提出的岩石材料扰动状态本构模型的基础上，对上述几种岩石破坏后区的应力-应变关系进行了数值计算，计算结果与试验结果较为一致。因此，建立的本构模型在一定程度上能描述岩石破坏后区的力学特性。     

循环荷载作用下盐岩三轴变形和强度特性试验研究

 为研究三向应力状态下循环荷载作用对盐岩变形、强度及损伤特性的影响,利用TAW–2000 型微机伺服岩石三轴试验机进行不同荷载波形参数(上、下限应力、应力幅值和频率)和不同围压下的盐岩试样的循环加、卸载试验。试验得到盐岩轴向初始变形和稳态变形两阶段演化规律;通过提高循环荷载上限应力、降低下限应力、增大应力幅值或者降低载荷频率、减小围压等途径,均会加速盐岩试样不可逆变形的发展,提高盐岩循环稳态应变速率,减小稳态阶段在整个变形阶段的比例,从而加速试样变形破坏;荷载波形参数中上限应力和应力幅值对循环荷载作用下盐岩变形演化速率、试样损伤发展的影响最大。循环荷载作用下,盐岩弹性模量随循环次数或加载时间呈指数递减趋势,并在50～100个循环后其值接近常数;循环加载后二次压缩盐岩强化与否,取决于循环加载时所施加荷载水平是否造成盐岩内部损伤的累积,通过试验可间接推断盐岩三轴循环变形破坏的上限应力阈值为80%～89%。     

Investigation into macroscopic and microscopic behaviors of bonded sands using distinct element method

This paper presents an investigation into the inter-particle bonding effects on the mechanical behaviors of structured sands using the distinct element method (DEM) incorporating measured inter-particle mechanical behaviors. The inter-particle mechanical behaviors are first studied by testing on idealized bonded granules under designed loading paths, which demonstrates a linear pre-failure force–displacement relationship and normal force-dependent shear strength of bonded particles. Then a modified contact model is proposed by employing different force–displacement laws for pre-failure and post-failure bonded particles, in which a failure criterion is introduced to describe the inter-particle debonding. The third part deals with the DEM numerical simulation of isotropic and biaxial compression tests to investigate the bonding effects on the mechanical behaviors of bonded sands, where the proposed model has been verified capable of capturing the main mechanical behaviors of bonded sands. In addition, the investigation into the microscopic responses quantitatively figures out the effects of inter-particle cementation on the mechanical behaviors and the loss of soil structure.     

不同加载速率下箍筋约束混凝土力学性能试验研究

为了研究箍筋约束效应和率相关效应对混凝土单轴受压性能的影响,采用MTS815试验机对一批设计强度等级为C30、C70混凝土的普通箍筋约束试件进行了单轴受压试验。选取4种不同的配箍等级,对每一种配箍等级试件分别进行加载应变率为10^-5、10^-2/s的试验,得到了相应的应力-应变全曲线。研究发现：混凝土单轴受压性能会受到配箍率、应变率和混凝土强度等级三者的共同影响;增大配箍率提高了约束混凝土试件的峰值应力、峰值应力对应应变和延性系数,当配箍率达到3.4%时,最大提高幅值比例约为1∶2∶4,但其弹性模量受到的影响可以忽略不计;增大加载应变率提高了约束混凝土试件的弹性模量、峰值应力和峰值应力对应应变,但其延性系数有所降低,当应变率达到10^-2/s时,上述特征值最大提高或降低幅值比例约为1∶5∶4∶4;箍筋约束效应与率相关效应相互耦合,当二者共同存在时,会削弱彼此对约束混凝土试件峰值应力、峰值应力对应应变和延性系数的提高或降低作用,当配箍率为0%~3.4%、应变率为10^-5~10^-2/s时,削弱幅值不超过60%,提高混凝土强度等级会增强该削弱作用,弹性模量受耦合效应的影响可以忽略不计。     

应变率对岩石强度和变形性质的影响

本文根据晶屑凝灰岩、石英砂岩、粉砂岩等在不同应变率下的压缩或拉伸试验结果,并结合国外的大量试验资料,得出岩石破坏强度发生显著变化的应变率范围ε_d;应变率小于ε_d时,随着应变率的变化,岩石强度无明显变化;应变率达到或超过ε_d时,岩石强度就有显著增长,对此用破裂传播速度作了理论分析和解释。另外根据岩石破坏前变形随应变率增大或减小的现象,提出了不同岩石具有不同的临界应变率。用该临界应变率可以确定岩石破坏后区的变形是随荷载的减小而呈增大或减小的变化趋势,并对此观象用破坏能的概念进行了探讨。本文还研究了软岩、硬岩对应变率的敏感度;并指出增大试件围压会使试件的应变率敏感度减弱,也就是说使试件趋于“硬化”。以上结论及理论分析不仅在理论上具有重要的意义,在岩石工程中也有实用意义。     

Effects of inelastic volume increase on fractured rock behaviour

This study investigated the correlation between inelastic volumetric deformation and the bearing capacity of fractured rock. Triaxial compression tests on marble specimens have been performed under constant and controlled deformation rates using a servocontrolled loading machine supported by an electro-hydraulic volume-measuring unit connected to a data acquisition system. The triaxial compression tests were carried out on two different marble samples under constant confining pressures ranging from 1–12.5 MPa. The results indicate that stress–inelastic volumetric strain curves are generally linear through the initial part of the post-failure curve where fractured rock behaviour is dominant. It was found that brittle rock loses its strength in the post-failure region depending on volumetric deformation; the slopes of post-failure curves change with an increase in confining pressure. As a result it is concluded that there is a relationship between strength and volumetric strain of fissured rock. Electronic Publication